JP2015021434A - 内燃機関のスロットル制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スロットル開度の不要な変動を抑えることのできる内燃機関のスロットル制御装置を提供する。
【解決手段】この装置は、要求トルクを満たすスロットルバルブの開度を目標スロットル開度Ｔｔａとして算出し、目標スロットル開度Ｔｔａに基づきスロットル制御を実行する。スロットル制御において、要求トルクに基づき目標吸気圧ＴＰを算出するとともに実吸気圧Ｐを推定し、目標吸気圧ＴＰと実吸気圧Ｐとの偏差ΔＰに基づく目標スロットル開度Ｔｔａのフィードバック制御を実行する。フィードバック制御の制御ゲインとして機能する値として、応答補償係数Ｋｒと流速補正係数Ｋｓとが設定される。上記偏差ΔＰが小さいときの応答補償係数Ｋｒを同偏差ΔＰが大きいときと比較して小さくするとともに、流速補正係数Ｋｓをスロットル流速が低いときほど小さくする。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のスロットル制御装置に関するものである。

近年、自動車などの車両に搭載された内燃機関の運転に際して、トルクディマンド型の機関制御を実行することが提案されている（例えば特許文献１参照）。トルクディマンド型の機関制御では、車両運転状態（例えばアクセル操作量）などに基づいて機関トルクについての制御目標値（要求トルク）が設定されるとともに、その要求トルクを満たすと見込まれる値がスロットルバルブの制御目標値（目標スロットル開度）として算出される。そして、この目標スロットル開度に基づくスロットルバルブの作動制御を通じて機関トルクが調節される。

また、こうしたスロットル制御において、吸気通路におけるスロットル下流の内部圧力（いわゆる吸気圧）の制御目標値（目標吸気圧）と実際値（実吸気圧）との偏差に基づく目標スロットル開度のフィードバック制御を実行することなども提案されている。このフィードバック制御では上記偏差が大きいときほどスロットル開度の変化速度が高くなる。こうしたフィードバック制御を通じて吸気圧の変化の遅れが抑えられる。

特開２００９−１８５６６５号公報

ここで、スロットル開度の変化に対する吸気圧の変化速度（以下、吸気圧感度）は、スロットルバルブを通過する吸入空気の流速（以下、スロットル流速）が低いときほど低くなる。そのため、スロットル流速が低く吸気圧感度が低いときほど、同一の値だけ吸気圧を変化させるために必要なスロットル開度の変化量が大きくなり易く、スロットル開度の変化速度が高くなり易いと云える。したがって、スロットル流速が低くなって吸気圧感度が低くなると、目標吸気圧と実吸気圧との偏差が小さいときにおけるスロットル開度の変化速度が高くなってしまい、これがスロットル開度の短期間での変動や、そうした短期間の変動によるスロットル機構の耐久性能の低下を招く一因になる。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、スロットル開度の不要な変動を抑えることのできる内燃機関のスロットル制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための内燃機関のスロットル制御装置は、内燃機関の要求トルクを設定するとともに同要求トルクを満たすスロットルバルブの開度を目標スロットル開度として算出し、その目標スロットル開度に基づき前記スロットルバルブの作動制御を実行する。また、その作動制御において、要求トルクに基づき目標吸気圧を算出するとともに実際の吸気圧を推定または検出し、目標吸気圧と実際の吸気圧との偏差に基づく目標スロットル開度のフィードバック制御を実行する。そして、前記フィードバック制御の制御ゲインを、前記偏差が小さいときに同偏差が大きいときと比較して小さくするとともに、スロットルバルブを通過する空気の流速が低いときほど前記制御ゲインを小さくする。

上記装置によれば、目標吸気圧と実吸気圧との偏差が小さいときに、フィードバック制御の制御ゲインが小さくなるため、スロットル開度の変化速度が不要に高くなることを抑えて、同スロットル開度の不要な変動を抑えることができる。しかも、スロットルバルブを通過する空気の流速（前記スロットル流速）が低いとき、すなわちスロットル開度の変化に対する吸気圧の変化速度（前記吸気圧感度）が低いためにスロットル開度の変化速度が高くなり易いときにも、フィードバック制御の制御ゲインが小さくなる。そのため、スロットル開度の変化速度が不要に高くなることを抑えて、スロットル開度の不要な変動を抑えることができる。このように上記装置によれば、目標吸気圧と実吸気圧との偏差が小さいときに制御ゲインを小さくすることに加えて、スロットル流速が低いときには制御ゲインを更に小さくすることができるため、スロットル開度の不要な変動を好適に抑えることができる。

上記装置においては、内燃機関の吸気圧に基づいて前記流速を推定することができる。内燃機関の吸気圧が低いときほど、スロットルバルブの上流側圧力と下流側圧力との差が大きくなるため、スロットルバルブを通過する空気の流速が高くなる。上記装置によれば、そうした内燃機関の吸気圧とスロットルバルブを通過する空気の流速との関係に基づいて同流速を精度良く推定することができる。

内燃機関のスロットル制御装置の一実施形態の概略構成を示す略図。 目標スロットル開度を算出する処理の処理手順を示すブロック図。 Ａマップに記憶されている偏差と応答補償係数との関係を示す略図。 Ｂマップに記憶されている目標吸気圧とスロットル流速との関係を示すグラフ。 Ｃマップに記憶されているスロットル流速と流速補正係数との関係を示すグラフ。 他の実施形態の目標スロットル開度を算出する処理の処理手順を示すブロック図。 その他の実施形態の目標スロットル開度を算出する処理の処理手順を示すブロック図。

以下、内燃機関のスロットル制御装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、内燃機関１０の吸気通路１１にはスロットル機構１２が設けられている。このスロットル機構１２は、吸気通路１１の内部に取り付けられたスロットルバルブ１３と、同スロットルバルブ１３に連結されたスロットルモータ１４とを備えている。そして、このスロットルモータ１４の作動制御（スロットル制御）を通じてスロットルバルブ１３の開度（スロットル開度ＴＡ）を変更することにより、吸気通路１１の通路断面積が変更されて、同吸気通路１１を通じて内燃機関１０の気筒１５内に吸入される空気の量が調節される。

内燃機関１０の吸気通路１１（詳しくは、吸気ポート）には燃料噴射弁１６が設けられている。この燃料噴射弁１６の開弁駆動を通じて吸気通路１１内に燃料が噴射される。燃料噴射弁１６から噴射された燃料は、スロットル開度ＴＡの調節を通じて調量された空気とともに内燃機関１０の気筒１５内に吸入されて混合気を形成する。

内燃機関１０の気筒１５には点火プラグ１７が設けられている。この点火プラグ１７の作動制御（詳しくは、イグナイタ１７ａの作動制御）を通じて、内燃機関１０の気筒１５内の混合気が着火して燃焼するようになる。そして、この燃焼に伴って発生するエネルギがピストン１８およびコンロッド１９を介してクランク軸２０に伝達されることにより、同クランク軸２０に回転トルクが付与されるようになる。内燃機関１０の気筒１５内の燃焼ガスは、同内燃機関１０の排気通路２１に排出される。

本実施形態の装置には、内燃機関１０の運転状態を検出するための各種センサが設けられている。各種センサとしては例えば、内燃機関１０の吸気通路１１を通過する空気の量（通路吸気量ＧＡ）を検出するための空気量センサ３１や、同内燃機関１０のクランク軸２０の回転速度（機関回転速度ＮＥ）を検出するためのクランクセンサ３２が設けられている。その他、スロットル開度ＴＡを検出するためのスロットルセンサ３３や、アクセルペダル（図示略）の踏み込み量（アクセル操作量ＡＣＣ）を検出するためのアクセルセンサ３４、内燃機関１０に吸入される空気の温度（吸気温度ＴＨＡ）を検出するための温度センサ３５なども設けられている。

また本実施形態の装置には、例えばマイクロコンピュータを中心に構成される電子制御装置３０が設けられている。この電子制御装置３０は、各種センサの検出信号を取り込むとともにそれら信号をもとに各種の演算を行い、その演算結果に基づいて内燃機関１０の運転にかかる各種制御を実行する。

本実施の形態では、そうした機関制御の一つとして、内燃機関１０の気筒１５内に吸入される空気の量（筒内吸気量）を調節するための制御（吸気量制御）が実行される。この吸気量制御は基本的には、以下のように実行される。

先ず、アクセル操作量ＡＣＣ、通路吸気量ＧＡおよび機関回転速度ＮＥなどに基づいて内燃機関１０の出力トルク（機関トルク）についての制御目標値（要求トルク）が算出される。その後、要求トルクに基づいてスロットル開度ＴＡについての制御目標値（目標スロットル開度Ｔｔａ）が算出される。この目標スロットル開度Ｔｔａとしては、上記要求トルクが満足されるようになるスロットル開度ＴＡに相当する値が算出される。そして、目標スロットル開度Ｔｔａと実際のスロットル開度ＴＡとが一致するようにスロットルバルブ１３の作動（詳しくは、スロットルモータ１４の作動）が制御されて、筒内吸気量が内燃機関１０の運転状態に見合う量に調節される。

本実施形態の装置では、エアクリーナ（図示略）や、吸気通路１１（吸気マニホールドや、吸気管、サージタンクなど）並びにスロットルバルブ１３からなる機関吸気系を有する内燃機関１０をモデル化した物理モデル（エンジンモデル）が構築されている。そして、このエンジンモデルを通じて上記要求トルクと実際の機関トルクとが一致するようになるスロットル開度（目標スロットル開度Ｔｔａ）が算出される。具体的には、通路吸気量ＧＡ、吸気圧、スロットル開度ＴＡ、並びに吸気温度ＴＨＡなどを変数とするモデル式が予め定められており、同モデル式を通じて目標スロットル開度Ｔｔａが算出される。また本実施形態では、スロットル制御において、吸気圧の制御目標値（目標吸気圧ＴＰ）と実際値（実吸気圧Ｐ）との偏差ΔＰ（＝｜ＴＰ−Ｐ｜）に基づく目標スロットル開度Ｔｔａのフィードバック制御が実行される。

ここで、スロットル開度ＴＡの変化に対する吸気圧の変化速度（以下、吸気圧感度）は、スロットルバルブ１３を通過する吸入空気の流速（以下、スロットル流速）に応じて異なる。詳しくは、スロットル流速が低いときほど吸気圧感度は低くなる。そのため、スロットル流速が低く吸気圧感度が低いときほど、同一の値だけ吸気圧を変化させるために必要なスロットル開度ＴＡの変化量が大きくなり易く、同スロットル開度ＴＡの変化速度が高くなり易いと云える。したがって、スロットル流速が低くなって吸気圧感度が低くなった場合に、目標吸気圧ＴＰと実吸気圧Ｐとの偏差ΔＰが小さいときにおけるスロットル開度ＴＡの変化速度が高くなって、これがスロットル開度ＴＡを短期間で変動させる現象（ばたつき現象）を発生させたり、ばたつき現象によるスロットル機構１２の耐久性能の低下を招いたりするおそれがある。

本実施形態の装置では、こうしたスロットル開度ＴＡの不要な変動を抑えるために、フィードバック制御の制御ゲインを、上記偏差ΔＰが小さいときに同偏差ΔＰが大きいときと比較して小さくするとともに、スロットル流速が低いときほど小さくするようにしている。

図２に、目標スロットル開度Ｔｔａを算出する処理の処理手順を示す。
図２に示すように、この処理では、前記要求トルクに基づいてエンジンモデルから目標吸気圧ＴＰが算出される。目標吸気圧ＴＰとしては、要求トルクが満足されるときの吸気圧に相当する値であって、同要求トルクが大きいときほど高くなる値が算出される。また、スロットル開度ＴＡや吸気温度ＴＨＡ等に基づいてエンジンモデルから実吸気圧Ｐが推定される。この実吸気圧Ｐとしては、スロットル開度ＴＡや吸気温度ＴＨＡが実現される吸気圧に相当する値が算出される。そして、目標吸気圧ＴＰと実吸気圧Ｐとの差（＝ＴＰ−Ｐ）の絶対値（上記偏差ΔＰ）が算出される。

そして、上記偏差ΔＰに基づいて、Ａマップから、応答補償係数Ｋｒが算出される。
図３に、Ａマップに定められた偏差ΔＰと応答補償係数Ｋｒとの関係を示す。同図３に示すように、応答補償係数Ｋｒとしては、偏差ΔＰが小さくなるに連れて小さくなる値が算出される。本実施形態の装置では、応答補償係数Ｋｒが前記フィードバック制御における制御ゲインとして機能する。そのため上記偏差ΔＰが小さいときほど、応答補償係数Ｋｒとして小さい値が算出されて、この応答補償係数Ｋｒに基づくフィードバック制御での補正量（＝Ｋｒ×ΔＰ）が小さくなる。

ここで、目標吸気圧ＴＰと実吸気圧Ｐとの偏差ΔＰが小さいときに、スロットル開度ＴＡの変化速度を高くし過ぎると、スロットル開度ＴＡの不要な変動を招くおそれがある。本実施形態の装置によれば、目標吸気圧ＴＰと実吸気圧Ｐとの偏差ΔＰが小さいときに応答補償係数Ｋｒが小さくなるため、スロットル開度ＴＡの変化速度を低くして、スロットル開度ＴＡの不要な変動を抑えることができる。

また、上記目標吸気圧ＴＰ（図２）に基づいて、Ｂマップから、スロットル流速が算出される。内燃機関１０の吸気圧が低いときほど、スロットルバルブ１３の上流側圧力（≒大気圧）と下流側圧力（＝吸気圧）との差が大きくなるため、スロットルバルブ１３を通過する空気の流速が高くなる。本実施形態では、そうしたスロットル流速と吸気圧との関係が各種の実験やシミュレーションの結果に基づいて予め求められてＢマップとして電子制御装置３０に記憶されている。本実施形態の装置では、このＢマップを用いてスロットル流速が算出される。

図４に、Ｂマップに記憶されているスロットル流速と目標吸気圧ＴＰとの関係を示す。同図４に示すように、目標吸気圧ＴＰが低いときには、スロットルバルブ１３の上流側と下流側との圧力差が大きいために、スロットル流速として高い速度が算出される。また目標吸気圧ＴＰが高くなるに連れて、上記圧力差が徐々に小さくなるため、Ｂマップから算出されるスロットル流速は徐々に低くなる。さらに目標吸気圧ＴＰが高くなって大気圧に近づくと、上記圧力差が「０」に近づくため、スロットル流速が急速に低くなる。

さらに本処理では、上記スロットル流速（図２）に基づいて、Ｃマップから、流速補正係数Ｋｓが算出される。スロットル流速が低いときには、吸気圧感度が低いために実吸気圧Ｐの変化が遅くなり易い。そのため、目標吸気圧ＴＰと実吸気圧Ｐとに偏差が生じた状態が続き易く、スロットル開度ＴＡの変化速度が高くなり易いと云える。

図５に、Ｃマップに記憶されているスロットル流速と流速補正係数Ｋｓとの関係を示す。同図５に示すように、本実施形態の装置では、流速補正係数Ｋｓとして、スロットル流速が低くなるに連れて小さくなる値が算出される。本実施形態の装置では、この流速補正係数Ｋｓが前記フィードバック制御における制御ゲインとして機能する。そのため、スロットル流速が低いときほど流速補正係数Ｋｓとして小さい値が算出されて、この流速補正係数Ｋｓに基づくフィードバック制御での補正量（＝Ｋｓ×ΔＰ）が小さくなる。したがって、スロットル開度ＴＡの変化速度を低くして、スロットル開度ＴＡの不要な変動を抑えることができる。なお本実施形態では、スロットル流速が低いときにスロットル開度ＴＡの変化速度を適度に抑えられるようになるスロットル流速と流速補正係数Ｋｓとの関係が各種の実験やシミュレーションの結果に基づいて予め求められており、その求められた関係がＣマップとして電子制御装置３０に記憶されている。

本処理では、応答補償係数Ｋｒ（図２）および流速補正係数Ｋｓが算出された後、それら係数Ｋｒ，Ｋｓ、実吸気圧Ｐおよび偏差ΔＰに基づいて、関係式（ＫＰ＝Ｐ＋ΔＰ×Ｋｒ×Ｋｓ）を通じて、補正吸気圧ＫＰが算出される。そして、この補正吸気圧ＫＰや吸気温度ＴＨＡなどの機関運転状態に基づいて、エンジンモデルから、目標スロットル開度Ｔｔａが算出される。目標スロットル開度Ｔｔａとしては、補正吸気圧ＫＰや吸気温度ＴＨＡが実現されるスロットル開度ＴＡに相当する値が算出される。

以下、このようにして目標スロットル開度Ｔｔａを算出することによる作用について説明する。
本実施形態の装置では、応答補償係数Ｋｒとして、目標吸気圧ＴＰと実吸気圧Ｐとの偏差ΔＰが小さいときほど小さい値が算出される。これにより、上記偏差ΔＰが小さいときのフィードバック制御の制御ゲインを小さくすることができるため、スロットル開度ＴＡの変化速度が不要に高くなることを抑えることができる。また、流速補正係数Ｋｓとして、スロットル流速が低いときほど小さい値が算出される。これにより、スロットル流速が低く吸気圧感度が低いためにスロットル開度ＴＡの変化速度が高くなり易いときに、フィードバック制御の制御ゲインを小さくすることができるため、スロットル開度ＴＡの変化速度が不要に高くなることを抑えることができる。

このように本実施形態の装置によれば、上記偏差ΔＰが小さいときやスロットル流速が低いときに、上記フィードバック制御の制御ゲインを小さくすることができるため、スロットル開度ＴＡの変化速度が不要に高くなることを好適に抑えて、同スロットル開度ＴＡの不要な変動を抑えることができる。

本実施形態の装置では、特に、上記偏差ΔＰが小さく且つスロットル流速が低い場合に、スロットル開度ＴＡの変化速度が不要に高くなる状況になり易く、スロットル開度ＴＡの不要な変動を招き易い。この点、本実施形態の装置によれば、上記偏差ΔＰが小さいときに上記フィードバック制御の制御ゲインを小さくすることに加えて、スロットル流速が低いときには同制御ゲインを更に小さくすることができる。これにより、上記偏差ΔＰが小さく且つスロットル流速が低い場合に、フィードバック制御の制御ゲイン（Ｋｒ×Ｋｐ）が最も小さくなるため、スロットルバルブ１３の動作速度を低く抑えて、同スロットル開度ＴＡの不要な変動を抑えることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
（１）目標吸気圧ＴＰと実吸気圧Ｐとの偏差ΔＰが小さいときやスロットル流速が低いときに、スロットル開度ＴＡの変化速度が不要に高くなることを好適に抑えて、同スロットル開度ＴＡの不要な変動を抑えることができる。

（２）目標吸気圧ＴＰに基づいてスロットル流速を算出するようにした。そのため、吸気圧が低いときほどスロットルバルブ１３を通過する空気の流速が高くなるといった関係に応じて、スロットル流速を精度良く算出することができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・応答補償係数Ｋｒと流速補正係数Ｋｓとを各別に設定することに代えて、応答補償係数Ｋｒと流速補正係数Ｋｓとを乗じた値（Ｋｒ×Ｋｓ）に等しい補正係数Ｋｔを設定するとともに、図６に示すように、同補正係数Ｋｔを上記偏差ΔＰおよびスロットル流量に基づきマップから算出するようにしてもよい。

・目標吸気圧ＴＰに基づいてスロットル流速を算出することに代えて、図７に示すように、実吸気圧Ｐに基づいてスロットル流速を算出するようにしてもよい。こうした装置によっても上記（２）に記載の効果と同様の効果が得られる。

・実吸気圧Ｐとして、エンジンモデルに基づき推定した吸気圧を用いることに代えて、吸気通路１１におけるスロットル機構１２より吸気流れ方向下流側の部分に吸気圧センサを設けて同吸気圧センサにより検出される吸気圧を実吸気圧Ｐとして用いるようにしてもよい。

・スロットル開度ＴＡに応じて吸気通路１１の通路断面積が変化するため、スロットル開度ＴＡに応じてスロットル流速も変化する。そこで、スロットル流速の推定に用いる推定パラメータとして、スロットル開度ＴＡを採用してもよい。こうした装置によれば、スロットル開度ＴＡに応じたかたちでスロットル流速を精度良く推定することができる。

・偏差ΔＰと応答補償係数Ｋｒとの関係は、偏差ΔＰが小さくなるに連れて応答補償係数Ｋｒが小さくなる関係に限らず、偏差ΔＰが小さいときにスロットル開度ＴＡの不要な変動が抑えられる程度に応答補正係数が小さい値になる関係であれば、任意に変更することができる。

・スロットル流速と流速補正係数Ｋｓとの関係は、スロットル流速が低くなるに連れて流速補正係数Ｋｓが小さくなる関係（図５参照）に限らず、スロットル流速が低いときほど流速補正係数が小さくなる関係であれば、任意に変更することができる。例えばＸ−Ｙ座標のＸ軸をスロットル流速としＹ軸を流速補正係数とした場合に、スロットル流速と流速補正係数との関係が曲線を描く関係や、階段形状で延びる線になる関係などを設定することができる。

・応答補償係数Ｋｒやスロットル流速、流速補正係数Ｋｓを、マップ演算により算出することに代えて、予め定められた演算式による演算を通じて算出するようにしてもよい。

１０…内燃機関、１１…吸気通路、１２…スロットル機構、１３…スロットルバルブ、１４…スロットルモータ、１５…気筒、１６…燃料噴射弁、１７…点火プラグ、１７ａ…イグナイタ、１８…ピストン、１９…コンロッド、２０…クランク軸、２１…排気通路、４０…電子制御装置、３１…空気量センサ、３２…クランクセンサ、３３…スロットルセンサ、３４…アクセルセンサ、３５…温度センサ。

Claims (2)

1. 内燃機関の要求トルクを設定するとともに同要求トルクを満たすスロットルバルブの開度を目標スロットル開度として算出し、その目標スロットル開度に基づき前記スロットルバルブの作動制御を実行するものであり、前記作動制御において、前記要求トルクに基づき目標吸気圧を算出するとともに実際の吸気圧を推定または検出し、前記目標吸気圧と前記実際の吸気圧との偏差に基づく前記目標スロットル開度のフィードバック制御を実行する内燃機関のスロットル制御装置において、
   当該装置は、前記フィードバック制御の制御ゲインを、前記偏差が小さいときに同偏差が大きいときと比較して小さくするとともに、前記スロットルバルブを通過する空気の流速が低いときほど前記制御ゲインを小さくする
   ことを特徴とする内燃機関のスロットル制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関のスロットル制御装置において、
   当該装置は、前記内燃機関の吸気圧に基づいて前記流速を推定する
   ことを特徴とする内燃機関のスロットル制御装置。